刀片、大禹、弹匣三个电池技术到底有什么不同?

新车评网   作者: XCP迟东宁 +关注   2021-10-05   评论 (0)

伴随着电动车需求的不断提升,电池的安全也越来越成为大家所关注的问题,早些年的起火爆炸事件让很多消费者对电动车依然保持着观望态度,如何解决电池的安全性问题,给消费者带来购买新能源车的信心和保障,也成了目前大力发展新能源技术的汽车厂家的核心技术研发方向。就这一两年,比亚迪、广汽埃安以及长城汽车都推出了自主研发的电池安全技术,分别是弹匣电池、刀片电池和大禹电池,那么他们三家有什么不同呢?我们本文来分析一下。

首先我们简单回顾一下三家电池技术的针刺实验结果:

一、大禹电池

依据测试标准:GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》,长城汽车采用NCM811电池进行测试。通过加热方式进行热失控触发,采用两个电芯连续触发的测试方式,触发位置选择了模组的中间电芯。测试中连续发生3次多个电芯发生热失控,温度最高达到1037℃,电池包内气压达到三次高峰,瞬间最高气压约16kPa,通过灭火系统抑制,电池包外溢烟雾最高温度低于100℃,避免对周围产生二次伤害。

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二、弹匣电池

广汽埃安的弹匣电池采用GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》对电池进行针刺实验,实验结果如下。

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三、刀片电池

比亚迪刀片电池采用的是《电动汽车用动力蓄电池安全要求》2015年版(老国标)进行测试,老国标的测试对象为电芯本身,弹匣电池和大禹电池这两个电池则是电池包整包。刀片电池电芯在钢针刺穿电池后,电池电压下降,穿刺位置没有火花、烟雾或电解液喷出,电池壳体也没有出现鼓胀,电池外壳表面温度30℃-60℃。挤压测试中,刀片电池在变形达到30%并且放置一小时的过程没有发生起火、爆炸现象。

刀片、大禹、弹匣三个电池技术到底有什么不同?

在两个三元锂电池的穿刺实验中,大禹电池采用的是NCM811电池,弹匣电池采用的电池镍含量未表明,从热失控温度和电芯数量上来看,大禹电池实验所面对的难度更大。值得注意的是,采用老国标的比亚迪刀片电池的难度无疑是最大的,但其表现最为优异。

因为这三个都是厂家自己做的实验,所以他们的实验条件和背景不尽相同,我们还是从电池技术来对比一下三家电池的安全性吧。首先从电池包内的电芯材质来分析,这三家除了比亚迪的刀片电池外,另外两家的电池技术都是可以兼容各种不同的电芯材质的。虽然刀片电池采用磷酸铁锂,但是他的能量密度相比之下并不输给其余两家,在量产车的续航上看也比较相近。

电芯安全吗?

如果光从正极材料出发,磷酸铁锂电池和三元锂电池的安全性是高下立判的,磷酸铁锂电池热失控温度普遍在500摄氏度以上,三元锂电池则低于300摄氏度,一些高镍比例的三元锂电池热失控温度甚至低于200摄氏度,也就是说,当电芯内部温度达到200℃的时候,三元锂电池的就会开始有失控的风险了,这个是一个无法改变的客观事实。

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同样采用穿刺实验,磷酸铁锂和三元锂电池分别的反应不同。

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但不可否认的是,磷酸铁锂电池能量密度比较低,如果不做特别的设计,那么整体电池续航会受到比较大的影响。所以在这三个电池技术中,比亚迪是采用了特别的封装设计,使采用了磷酸铁锂电芯的刀片电池依然有较高的整包电池能量密度。

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可惜无论电芯如何布置,磷酸铁锂的自身的能量密度上限本身就比较低,这也就导致了比亚迪如果一直采用刀片电池,那么他的整车续航将难以有比较大的突破性提升。

那么我们再看看可以采用能量密度更高的三元锂电池的大禹电池和弹匣电池。弹匣电池和大禹电池是可以兼容更高能量密度的三元锂电池的,但是对于三元锂电池的不稳定性,他们分别做了安全措施。

因为热失控的源头在于电芯,如果能从源头避免电芯出现热失控是最好的。因此,弹匣电池在电芯正极使用了纳米级包覆及掺杂技术,在保证高镍正极活性的同时,进一步提升了电芯的热稳定性,并在电解液中增加了两种新型的添加剂,能够分别实现隔膜自修复、降低热失控反应产热的功能。广汽埃安称,这些新技术的应用使电芯的耐热温度提升了30%,提高了电芯抵御热失控的能力。

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目前我们没有具体查到大禹电池采用了哪些技术降低电芯热失控风险,从目前已公布的消息中我们可以了解到大禹电池的电芯主要来自宁德时代和自家的蜂巢能源。从实验结果来看,在控制热扩散方面,大禹电池做得还是相当不错。

不过,动力电池的安全性主要表现在系统热安全、机械安全、电气安全以及功能安全,而不止是电芯的安全。电芯安全是电池包安全的一部分,要实现装车后的安全,我们还要看看,当电芯不可避免出现热失控后,整个电池技术对于电芯的保护做得如何。

第一步:隔绝热失控

弹匣电池在电芯之间采用了网状纳米孔隔热材料,当某一个三元锂电芯热失控的时候,降低导致至相邻电芯热失控的风险。

通过下图可以看出,热失控电池周围的电池接触面的温度仅为热失控电池的约三分之一的温度。但是图中并没有表明热失控电池的峰值温度是多少,自燃也不好判断相邻电池的接触面的三分之一的温度是否为安全温度,毕竟对于三元锂电池来说达到热失控的温度不到300摄氏度,而三元锂电池热失控温度可达1000摄氏度有余。(难道这个是弹匣电池目前没用NCM811的主要原因?)

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大禹电池在所有电芯之间采用全新开发的双层复合材料,既能隔离热源,又耐火焰冲击,有效解决了传统气凝胶不耐冲击的痛点。同时结合不同化学体系电芯循环膨胀特性不同,设计双层复合材料,既可有效解决电芯膨胀对空间的需求,又能隔离热源。

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同时在模组方面,每个模组间都采用高温绝热复合材料,可阻止火焰冲击和长时间传热传导。防护罩设计定向排爆出口,能快速将模组内部高温气火流排出,避免模组内部出现热蔓延和聚集。

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刀片电池因为特殊的长形设计的原因,所以他会比块状电池的短路回路更长,表面散热面积更大,可以降低过热导致热失控的风险,同时刀片电池在电极的一侧设置了防爆阀,可以迅速将高温高压分散出去。

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在电芯与电芯之间目前暂时没有找到主要用来隔绝热失控后热量影响周围电芯的具体技术。

第二步:带走高温气体

在隔绝出现热失控的电芯的热量传播到相邻电芯的同时,好的安全设计还需要在这个时候将产生的高温高压迅速带走,避免热量聚集。在这一点上,弹匣电池、大禹电池和刀片电池均采用了不同的策略。

首先来说一下弹匣电池,弹匣电池在电池包的内部设计了导热路径,高温可以通过导热路径进行疏散(当电池包内压力过大的时候泄压阀会平衡电池包的压力)。同时热量会在电池包内进行流动并降温,配合大面积的全贴合液冷系统及时将温度控制到安全范围。

刀片、大禹、弹匣三个电池技术到底有什么不同?

而大禹电池在电芯出现高温失控时,主要采用疏导的方式将高温高压带走,起到治燃治爆的效果。

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具体点来说就是大禹电池通过带孔的隔板,将热失控所产生的高温气体及时排到这些隔板的孔洞上方。然后再通过模组与电池包之间的空隙,将热量通过从这些通道进行疏散,并通过设计好的特定线路疏导出去。

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同时为了避免排出气体温度过高造成电池外部二次伤害,大禹电池采用了一个单向的排气灭火阀,将排出气体的温度控制在100摄氏度以下。因为阀体是单向设计,这也就很好地隔绝了空气中的氧气通过阀门进入电池包内部造成二次燃烧。

刀片、大禹、弹匣三个电池技术到底有什么不同?

同时大禹电池采用了单张的巨大面积的冷却板与箱体集成,这块板与弹匣电池一样,同样是采用与箱体集成的设计。

在没有危险的时候它对电池进行热管理作用,当系统识别到电芯已触发热失控,则会快速开启冷却系统抑制热扩散,并根据电芯和模组的热失控温度状态,结合前期燃烧模型拟真数据,智能调节冷却系统的开闭时间、流速及流量,在不同热失控条件下采用最高效的冷却策略,这让气火流在疏散的过程中能大大降低其自身温度。

刀片、大禹、弹匣三个电池技术到底有什么不同?

长城汽车曹永强表示,“连接轨道和接头数量多,很容易导致破裂或接头不良,从而导致整个冷却系统失效。”

采用单张大冷板与箱体集成设计方案,能有效避免管路因高温泄漏和爆裂问题,并且可根据电芯和模组热失控温度状态,智能调节冷却系统的开闭时间、流速、流量等,实现不同热失控条件下、高效冷却策略。

刀片电池虽然是采用更安全的磷酸铁锂电池,但是在热失控的紧急处理方面还是做得非常到位。从下图可以看出,在电芯防爆阀隔壁就是电池包的排气通道,这对于热量的排出来说效率是非常高的。

刀片、大禹、弹匣三个电池技术到底有什么不同?

同时从官网数据上可以看到,对于刀片电池来说,单个电池热失控后导致的热扩散基本不会发生。

在冷却系统方面刀片电池依然还是一块大面积的水冷冷却板材料。这是因为磷酸铁锂电池本身的低温性能较差,所以这块冷却板在冬季的时候起到非常重要的保温作用。刀片电池采用纵向布置,侧面较窄,而冷却板的直接冷却面为该窄边,但刀片电池采用了导热设计,这对于磷酸铁锂电池来说是足够的。

刀片、大禹、弹匣三个电池技术到底有什么不同?

总结:

我们都知道,电池安全问题的主要原因是来自于热失控,当电池发生热失控时,会导致电池温度的迅速升高,当温度过高,可能会发生着火、爆炸等事故。而热失控的来源有很多,其中包括1、碰撞、挤压;2、过充、过放、短路;3、电芯一致性差等等。所以尽管上文我所说的内容都是电池非常重要的安全技术领域,但是除此之外呢?还有电池的BMS,电池电芯的质量,电池包壳体的抗冲击能力等等,电池安全技术是个相当复杂的门类,我们能拿到的数据比较有限,仅从以上已知的条件中的简单对比中,我觉得其实这三个电池技术在目前来说都是国内相当领先的了。但是如果从保守一点的角度来说,磷酸铁锂电池的使用可能对于消费者来说更能接受,我这里所说的不仅是比亚迪的刀片电池,同时也包括了使用磷酸铁锂电芯的弹匣电池和明年将要上市的大禹电池。

标 签 刀片   弹匣   大禹   电池  
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